بررسي تاثير پارامترهاي فرايند و افزودني بر ساختار، ريزساختار و خواص اپتيكي فيلم لايه نازك اكسيد تيتانيوم مزومتخلخل منظم

دكتري

فيلم هاي لايه نازك تيتانيا با ساختار مزومتخلخل منظم به خاطر داشتن ساختار منحصر بفرد، خواص الكترونيكي و مغناطيسي مناسب داراي كاربردهاي متعددي درزمينه سنسورهاي شيميايي وگازي، فوتوكاتاليست ها، پوشش هاي خودتميزشونده، فيلم هاي ضد باكتري، باتري هاي ليتيومي و سلول هاي خورشيدي مي باشند. خواص و نوع كاربرد اين مواد تحت تاثير پارامترهاي ريزساختاري نظير ساختار تخلخل ها، مساحت سطح ويژه و ساختار بلوري فيلم تغييرمي يابد. در اين پژوهش، بررسي مكانيزم هاي تشكيل مزوساختار و پارامترهاي موثر و كنترل مرحله به مرحله از سل اوليه تا فيلم نهايي انجام شد. بهبود خواص اين مواد تحت تاثير برخي افزودني ها و در نهايت كاربرد آن ها به عنوان مواد ضد باكتري بررسي شد. ابتدا امكان سنتز فيلم ها با استفاده از روش سل- ژل و لايه نشاني چرخشي مورد بررسي قرار گرفت. تاثير عوامل متعددي نظير نوع فرايند سنتز، شرايط سنتز سل، پير سازي سل اوليه و فيلم و فرايند مناسب تكليس مورد بررسي قرار گرفت. سپس افزودني هاي آلومينيوم و سريم انتخاب و مقدار بهينه آن ها تعيين گرديد. براي بررسي هاي ريزساختاري، تعيين فازها و مورفولوژي ها و همچنين طيف‌هاي جذب و نشر نوري با آناليز هاي XRD، FESEM، HRTEM، GISAXS،UV-Visible ، FTIR و RAMAN بر روي نمونه ها انجام شد. بهترين شرايط پيرسازي فيلم با توجه به نظم گيري مزوساختار، استفاده از رطوبت كم و دماي پايين در pHهاي خيلي اسيدي سل فراهم شد. افزايش ميزان حلال، باعث انعطاف پذيري و قابليت تحرك بيشتر در فيلم ها و گذر از حالت بي نظم به منظم شد. قالبگير F127 باعث ايجاد مزو فاز مكعبي Im3m و قالبگير P123 نيز منجر به آرايش هگزاگونال با تقارن P63/mmc در مزوساختار فيلم ها گرديد. دماي شروع بلورينگي ۳۵۰ درجه سانتيگراد و اولين فاز تشكيل شده فاز آناتاز تعيين گرديد. مزوساختار منظم Im3m تا دماي تكليس ۳۵۰ درجه سانتيگراد پايدار بوده و پديده انقباض آنيزوتروپيك در كليه فيلم ها مشاهده شد. با افزايش دماي تكليس تا ۴۰۰ درجه سانتيگراد به علت رشد بلوري و اعوجاج ديواره هاي تخلخل ها، نظم ساختار منظم از بين رفت. طيف جذب و واجذبي نيتروژن فيلم ها تا دماي تكليس ۵۰۰ درجه سانتيگراد، ايزوترم نوع IV با حلقه پسماند H1 وسيع و مرحله تراكم مويينگي رانشان دادند. توزيع باريك قطر تخلخل ها در محدودة 10 نانومتر از ويژگي هاي نمونه تكليس شده در دماي ۳۵۰ درجه سانتيگراد بود. افزايش دماي تكليس باعث افزايش اندازه بلورك ها در محدوده 12 تا 20 نانومتر و افزايش قطر تخلخل ها از ۱۰/۰۲ تا ۳۱/۰۸ نانومتر در نمونه ها شد. افزايش درجه بلورينگي و اندازه بلورك ها با افزايش دماي تكليس از ۳۰۰ تا ۵۰۰ درجه سانتيگراد منجر به كاهش انرژي باند ممنوعه از ۳/۹۷ تا ۳/۹۳ الكترون ولت شد. با افزودن 5% مولي ايزوپروپوكسايدآلومينيوم، كنترل بسيار مناسبي بر روي بلورينگي ديواره مزوتخلخل ها صورت گرفته و نظم مزوساختاري حفظ شد. پايداري حرارتي فيلم هاي تيتانيا- آلومينا در مقايسه با فيلم هاي خالص افزايش چشمگيري نشان داد و مقدار انقباض ساختاري كاهش يافت. با افزودن 1% مولي نيترات سريم، پايداري فيلم ها تا دماي ۴۵۰ درجه سانتيگراد افزايش يافته و در طيف رامان، پيك فاز آناتاز در146cm-1مشاهده شد. با استفاده از پارامترهاي بهينه، فيلم خالص تكليس شده در دماي ۴۵۰ درجه سانتيگراد، بالاترين ميزان خاصيت ضد باكتري را از خود نشان داده و اين ويژگي نسبت به بازده ساير محصولات تجاري بسيار بالاتر بود.

191422

دانشگاه علم و صنعت ايران

دكتر محمد مهدي اكبرنژاد

مهندسي مواد

دكتر علي بيت اللهي